CN110140058A - 电池监测单元及其方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种由被配置用于估计电池的电池放电电流的电池监测单元实行的方法，该方法包括以下步骤：获得荷电状态值，该荷电状态值指示电池的当前容量与最大容量之间的比率；获得传感器数据，该传感器数据指示在多个随后时间点处获得的第一多个电池电压值；确定第一多个电池电压值随时间的第一电压趋势；基于关系来估计电池的电池放电电流，其中该关系取决于随时间的第一电压趋势和荷电状态值。

Description

电池监测单元及其方法

技术领域

本发明涉及被配置用于估计电池的电池放电电流的电池监测单元。本发明进一步涉及对应的方法、计算机程序、计算机程序产品和载体。

背景技术

电池通常出于各种目的而被用在交通工具（craft）（诸如，车辆、大篷车或船）中。电池的传统使用（例如，作为汽车中的起动器电池）最大程度地包括：其中电池接收充电电流的充电阶段和其中电池不输送放电电流或输送非常低的放电电流的空闲阶段。然而，当今，交通工具电池通常还以电池在较长时间段期间输送放电电流的方式来使用。

从电池输送放电电流的容量可以作为当前容量（例如，以安培小时为单位）以及对应于电池被完全充电时的最大容量而给出。为了保持对电池的当前容量的跟踪，典型地通过估计和/或测量时间间隔内的充电/放电电流值来周期性地计算或确定当前容量，并且利用电流值和时间间隔（例如，采样间隔）的乘积来使先前的当前容量值增加/减少。

荷电状态SoC值可以被用来描述电池的当前容量与最大容量之间的比率，典型地描述为分数值或百分比值，例如0.5或50％。

存在多个传统设备以用于借助精确的电流和电压测量结果来确定SOC，参见例如由集成电路AS8510中的AMS给出的参考设计，http://www.ams.com./eng/Products/Sensor-Interfaces/Data-Acquisition-Front-End/AS8510。该解决方案需要分流电阻器以用于测量来自/去往电池的电流。

传统系统的问题可能是需要诸如分流电阻器之类的附加组件来获得充电/放电电流值。传统系统的进一步的问题可能是降低的电流和/或容量估计质量，特别是对于在其中电池在较长时间段期间输送放电电流的交通工具中的使用情况。

因此，需要一种用于估计放电电流的改进的电池监测单元及其方法。

发明目的

本发明的实施例的目的是提供一种解决方案，其减轻或解决了传统解决方案的缺点和问题。

发明内容

以上和进一步的目的通过独立权利要求的主题来实现。本发明的进一步的有利实现形式由从属权利要求限定。

本说明书和对应权利要求中的“或”应当被理解为覆盖“和”和“或”的数学上的OR，并且不应当被理解为XOR（异或）。本公开和权利要求中的不定冠词“一”不限于“一个”，并且还可以被理解为“一个或多个”，即复数。

以上目的通过独立权利要求的主题来解决。本发明的进一步的有利实现形式可以在从属权利要求中找到。

在权利要求1、6和10中以及由此从属的权利要求中公开了本发明的目的。本说明书还提供了对当前电池监测单元的低成本替换方案，其易于运输和安装并且其提供了改进的电流和/或容量估计质量。本发明的进一步的目的是通过使用相同的电池监测单元提供远程或本地监测可能性来为交通工具的用户提供增加的自由度。根据本说明书，提供了一种电池监测单元，该电池监测单元当电池被用在其中电池在较长时间段（例如，与起动发动机的相对短的时段相比）期间输送放电电流的情境中时进行标识，并且适应其中对电池电流进行估计以及因此如何计算电池容量和/或荷电状态值的方法。

根据本说明书，提供了一种电池监测单元，该电池监测单元通过分析先前的电压测量结果以及当前的电压测量结果来改进估计质量并且允许预测未来的电流值。

根据本说明书，提供了一种电压传感器，该电压传感器被布置在交通工具处，并且在交通工具处本地地或者在远程位置处向电池监测单元的用户提供电池电压值。

本发明的实施例的进一步应用和优点将根据以下详细描述而显而易见。

附图说明

图1示出了根据本发明的实施例的电池监测单元和可选的电压传感器。

图2示出了根据本发明的一个或多个实施例的方法的框图。

图3图示了所测量的电池放电电流与根据本发明的实施例所估计的电池放电电流之间的比较。

图4图示了根据传统方法所计算的SoC值与根据本发明的实施例所计算的SoC值之间的比较。

通过参考以下的详细描述来最好地理解本公开的实施例及其优点。应当领会的是，相同的附图标记被用来标识在一个或多个附图中图示的相同元件。

具体实施方式

图1示意性地图示了根据本发明的实施例的电池监测单元100和可选的电压传感器120。交通工具130可以被配置有电池132，例如，用作交通工具的电源。电池监测单元100可以被配置成监测交通工具130的电池132，例如，监测充电/放电电流和/或容量和/或荷电状态值。交通工具130可以被配置有电压传感器120，该电压传感器120被包括在交通工具的电池132中并且耦合到交通工具的电池132。交通工具的示例可以是车辆、大篷车、飞机或船。

电压传感器120可以被配置成测量电池132在多个随后时间点处的第一多个电压值，和/或例如经由有线或无线通信（诸如蓝牙、WiFi等）将该第一多个电压值发送到电池监测单元100。在示例中，电压传感器120包括传感器装置，该传感器装置被布置成用于测量电压并且生成电池电压数据。电压传感器120可以包括通信地耦合到传感器装置的处理器和/或用于有线或无线通信的收发器。进一步地，电压传感器120可以进一步包括至少一个可选天线。该天线可以耦合到收发器，并且被配置成在无线通信系统中发射和/或发出和/或接收无线信号，例如发出作为有线或无线信号的多个电压值。在一个示例中，处理器可以是处理电路和/或中央处理单元和/或处理器模块和/或被配置成彼此协作的多个处理器中的任一个。进一步地，电压传感器120可以进一步包括存储器。该存储器可以包含可由处理器执行以实行本文中描述的方法的指令。处理器可以通信地耦合到收发器104和存储器中的选择物。电压传感器120可以被配置成直接向电池监测单元100发送多个电压值，或者经由有线和/或无线通信网络140来发送多个电压值。无线通信网络140可以包括蓝牙、GSM、UMTS、LTE或高级LTE通信网络中的任一个，或本领域中已知的任何其他有线或无线通信网络。

电池监测单元100可以以下述形式存在：服务器、板载计算机、数字信息显示器、固定计算设备、膝上型计算机、平板计算机、手持式计算机、腕戴式计算机、智能手表、PDA、智能电话、智能TV、电话、媒体播放器、游戏机、车载式计算机系统或导航设备。

电池监测单元100可以包括通信地耦合到用于有线或无线通信的收发器104的处理器112。进一步地，电池监测单元100可以进一步包括至少一个可选天线108。该天线可以耦合到收发器104，并且被配置成在无线通信系统中发射和/或发出和/或接收无线信号，例如，发出作为有线或无线信号的多个电压值。在一个示例中，处理器112可以是处理电路和/或中央处理单元和/或处理器模块和/或被配置成彼此协作的多个处理器中的任一个。进一步地，电池监测单元100可以进一步包括存储器115。该存储器115可以包含可由处理器执行以实行本文中描述的方法的指令。处理器112可以通信地耦合到收发器104和存储器115中的选择物。电池监测单元100可以被配置成直接从电压传感器120接收多个电压值，或者经由有线和/或无线通信网络140来接收多个电压值。在实施例中，来自电压传感器120的多个电压值可以被包括在电池监测单元100中。

电池监测单元100可以进一步包括通信接口，该通信接口例如被包括在有线/无线收发器104和/或有线/无线通信网络适配器中。收发器104可以被配置成向处理装置112或从处理装置112、向其他外部节点或从其他外部节点（例如，在电压传感器120与电池监测单元100之间）发送和/或接收作为信号的数据值或参数。在实施例中，通信接口直接在单元和/或传感器和/或网络节点之间进行通信或者经由通信网络140进行通信。在一个或多个实施例中，电池监测单元100可以进一步包括输入设备117，该输入设备117被配置成从用户接收输入或指示，并且将指示用户输入或指示的用户输入信号发送到处理装置112。在一个或多个实施例中，电池监测单元进一步包括显示器118，该显示器118被配置成从处理装置112接收指示渲染对象（诸如，文本或图形用户输入对象）的显示信号，并且将接收到的信号显示为对象（诸如，文本或图形用户输入对象）。在一个实施例中，显示器118与用户输入设备117集成，并且被配置成从处理装置112接收指示渲染对象（诸如，文本或图形用户输入对象）的显示信号，并且将接收到的信号显示为对象（诸如，文本或图形用户输入对象），和/或被配置成从用户接收输入或指示，并且将指示用户输入或指示的用户输入信号发送到处理装置112。在实施例中，处理装置112通信地耦合到存储器115和/或通信接口和/或输入设备117和/或显示器118和/或一个或多个传感器，诸如电压传感器120。在实施例中，通信接口和/或收发器使用本领域中已知的任何有线和/或无线通信技术进行通信。在实施例中，一个或多个存储器115可以包括硬RAM、磁盘驱动器、软盘驱动器、磁带驱动器、光盘驱动器、CD或DVD驱动器（R或RW）、或其他可移动或固定媒体驱动器中的选择物中的任一个。在进一步的实施例中，电池监测单元100可以进一步包括一个或多个附加传感器，该附加传感器被配置成接收和/或获得和/或测量与相应的交通工具130有关的物理属性，并且将指示该物理属性的一个或多个传感器信号发送到处理装置112。

图2示出了由电池监测单元100实行的方法200的框图，该电池监测单元100被配置用于估计电池132的电池放电电流。该方法包括：

步骤230：获得指示电池132的当前容量与最大容量之间的比率的荷电状态值。获得荷电状态值可以例如包括：由处理器112计算荷电状态值，经由有线和/或无线通信网络140从另一个单元和/或服务器接收荷电状态值，或者从存储器115和/或其他数字存储介质中取回荷电状态值。在一个示例中，荷电状态值是基于使用库伦计数的所估计的电池充电电流来计算的，例如，如下面关于步骤225进一步描述的那样。在又一示例中，取回荷电状态值作为先前测量的和/或计算的和/或确定的和/或估计的荷电状态值。

步骤240：获得（240）指示在多个随后时间点处获得的第一多个电池电压值的传感器数据。在一个示例中，接收被包括在来自电压传感器120的有线信号中的第一多个电池电压值。在一个附加示例中，接收被包括在例如来自电压传感器120的无线信号（例如，蓝牙或WiFi信号）中的第一多个电池电压值。

步骤250：确定第一多个电池电压值随时间的第一电压趋势。确定第一电压趋势可以通过将函数曲线拟合到第一多个电池电压值来实行。被曲线拟合的函数可以是由斜率值和截距值定义的线。确定第一电压趋势可以通过将第一电压趋势确定为该函数和/或线的斜率值来实行。确定第一电压趋势可以通过将第一电压趋势确定为当前斜率值和多个历史斜率值的平均值来实行，例如，计算移动平均值（rolling average）、几何平均值或任何其他合适的平均值或过滤。在一个示例中，第一电压趋势是通过将线曲线拟合到两个或更多个电池电压值并且将第一电压趋势确定为该线的斜率来确定的。在一个进一步的示例中，多个历史斜率值已在先前时间点T_-3、T_-2、T_-1处确定，并且当前斜率值已被确定为在当前/现在时间点T₀处的曲线拟合的线的斜率。然后可以将第一电压趋势确定为：

第一电压趋势 = c3*斜率（T_-3）+ c2*斜率（T_-2）+ c1*斜率（T_-1）+ c0*斜率（T₀），其中c0、c1、c2和c3是移动平均值常数，例如等于0.25。

步骤260：基于一关系来估计电池132的电池放电电流，其中该关系取决于随时间的第一电压趋势和荷电状态值。该关系可以进一步取决于电池的最大容量。在一个示例中，该关系可以是通过实行各种电池的电池电压值和对应荷电状态SoC值的测量而获得的统计学模型。该关系可以以函数或查找表LUT的形式存在。

在实施例中，在实行步骤230-260中的任一个之前，该方法进一步包括：

步骤210：获得指示在多个随后时间点处获得的第二多个电池电压值的电压传感器数据。在一个示例中，在T₀处获得当前电池电压值U₀，连同在先前时间点T_-1处的先前电池电压值U_-1。

步骤220：确定220第二多个电池电压值随时间的第二电压趋势，并且如果确定第二电压趋势为负和/或正在减小，则实行步骤230-260。确定第二电压趋势为负和/或正在减小可以通过确定下述内容来实行：

在先前时间点T_-1处获得的先前电池电压值U_-1与在当前时间点T₀处获得的当前电池电压值U₀之间的差大于触发阈值。可以用与上面关于步骤250描述的类似的方式来确定第二电压趋势。

可选步骤225（图中未示出）：进一步包括，如果没有确定第二电压趋势为负和/或正在减小，则对电池充电电流进行估计。可以基于所估计的电池充电电流来计算荷电状态值。

在一个示例中，测量电池电压作为电池电压值。然后可以确定电池正在充电。确定电池正在充电可以通过检测或确定电池电压值或开路电压OCV等于或高于充电电压阈值（例如，13.2 V）来实行。然后可以使用取决于对库伦计数的荷电状态SoC（CC）或总荷电状态的先前计算的函数、例如基于电池电压值的先前测量结果来估计充电电流。该函数可以以基于经验的关系（例如，以查找表LUT的形式存在）为基础，该关系基于正在充电的电池的荷电状态和电池充电电流的测量结果。然后可以通过将对库伦计数的荷电状态SoC（CC）或总荷电状态的先前计算与电池充电电流乘以预定时间段（例如，电池电压值的采样间隔）的乘积进行相加，来作为库伦计数的荷电状态SoC（CC）而计算总荷电状态。此外，当检测到电池低于充电电压阈值时，则确定电池没有在充电，并且然后可以将电池充电电流计算为零安培（0 A）。

在实施例中，该方法进一步包括可选步骤：

步骤270：基于荷电状态值和电池放电电流来计算当前荷电状态值。

在本发明的第二方面，提供了一种电池监测单元100，并且将其配置用于估计电池132的电池放电电流，该电池监测单元包括：

通信接口116，其被配置成发送或接收数据，

处理器112，以及

存储器115，

所述存储器包含可由所述处理器执行的指令，其中所述电池监测单元100可操作和/或被配置成实行本文中所述的任何方法。

在本发明的第三方面，提供了一种计算机程序，并且该计算机程序包括计算机可执行指令，以用于当计算机可执行指令在被包括在电池监测单元100中的处理电路上执行时，使电池监测单元实行本文中所述的任何方法。

在本发明的第四方面，提供了一种计算机程序产品，并且该计算机程序产品包括计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质具有体现在其中的计算机程序。

在本发明的第五方面，一种包含上述计算机程序的载体，其中该载体是电子信号、光学信号、无线电信号或计算机可读存储介质中的一个。

在本发明的第六方面中，提供了一种电压传感器120，并且将其配置成例如由传感器装置来测量电池132在多个随后时间点处的第一多个电压值，并且例如由处理器例如经由收发器将该第一多个电压值发送到电池监测单元100。

图3图示了所测量的电池放电电流与根据本发明的实施例所估计的电池放电电流之间的比较。从图3中可以看出，根据本公开的所估计的电池放电电流340紧密地跟随参考电池放电电流330。因此，改进了容量估计质量，特别是对于在其中放电电流相当大和/或不可忽略的交通工具中的使用情况。图3进一步示出了包括对应的当前电池电压值350的示图。图3还示出了指示根据本公开的所计算的当前电池容量和/或荷电状态值310、连同对应的参考电池容量和/或参考荷电状态值320的示图。

图4图示了根据传统方法（例如，仅基于所估计的和/或所测量的充电电流）计算的SoC值与根据本发明的实施例（即，基于所估计的放电电流）计算的SoC值之间的比较。图4示出了指示根据本公开的所计算的当前电池容量和/或荷电状态值410、连同根据传统方法计算的对应的参考电池容量和/或参考荷电状态值420的示图。图4进一步示出了包括对应的当前电池电压值430的示图。

此外，根据本发明的实施例的任何方法可以在具有代码装置的计算机程序中实现，该计算机程序在由处理装置运行时使处理装置执行该方法的步骤。该计算机程序被包括在计算机程序产品的计算机可读介质中。

在实施例中，一种计算机程序产品，其包括存储器和/或计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质具有体现在其中的上面描述的计算机程序。本文中提到的存储器和/或计算机可读存储介质可以由基本上任何存储器组成，该任何存储器诸如ROM（只读存储器）、PROM（可编程只读存储器）、EPROM（可擦除PROM）、闪速存储器、EEPROM（电可擦除PROM）、或硬盘驱动器。

在实施例中，通信网络140使用有线或无线通信技术进行通信，该有线或无线通信技术可以包括下述各项中的至少一个：局域网（LAN）、城域网（MAN）、全球移动网络系统（GSM）、增强型数据GSM环境（EDGE）、通用移动电信系统、长期演进、高速下行链路分组接入（HSDPA）、宽带码分多址（W-CDMA）、码分多址（CDMA）、时分多址（TDMA）、蓝牙®、Zigbee®、Wi-Fi、互联网协议语音（VoIP）、高级LTE、IEEE802.16m、高级WirelessMAN、演进型高速分组接入（HSPA+）、3GPP长期演进（LTE）、移动WiMAX（IEEE 802.16e）、超移动宽带（UMB）（以前的演进数据优化（EV-DO）版本C）、具有无缝切换的快速低延迟接入正交频分复用（Flash-OFDM）、高容量空分多址（iBurst®）和移动宽带无线接入（MBWA）（IEEE 802.20）系统、高性能无线电城域网（HIPERMAN）、波分多址（BDMA）、全球微波接入互操作性（Wi-MAX）和超声波通信等，但是不限于此。

此外，技术人员认识到的是，电池监测单元100可以包括以例如功能、装置、单元、元件等形式存在的必要通信能力以用于实行本解决方案。其他这样的装置、单元、元件和功能的示例是：处理器、存储器、缓冲器、控制逻辑、编码器、解码器、速率匹配器、降速匹配器、映射单元、乘法器、决策单元、选择单元、开关、交织器、解交织器、调制器、解调器、输入、输出、天线、放大器、接收器单元、发射器单元、DSP、MSD、TCM编码器、TCM解码器、电源单元、电力馈线、通信接口、通信协议等，它们被合适地布置在一起以用于实行本解决方案。

特别地，本电池监测单元100的处理器可以包括：处理器和/或处理电路和/或处理装置，例如，处理电路、处理器模块和被配置成彼此协作的多个处理器的一个或多个实例、中央处理单元（CPU）、处理单元、处理电路、处理器、专用集成电路（ASIC）、微处理器、现场可编程门阵列（FPGA）、或可以解译和执行指令的其他处理逻辑。因此，表述“处理器”可以表示包括多个处理电路（诸如，例如上文提到的处理电路中的任一个、一些或全部）的处理电路。该处理装置可以进一步实行：用于包括数据缓冲的数据输入、输出和处理的数据处理功能；以及设备控制功能，诸如呼叫处理控制、用户接口控制等等。

最后，应当理解的是，本发明不限于上面描述的实施例，而是涉及并且包含处于所附独立权利要求的范围内的所有实施例。

Claims (9)

1.一种由被配置用于估计电池（132）的电池放电电流的电池监测单元（100）实行的方法（200）：

获得（230）荷电状态值，所述荷电状态值指示所述电池（132）的当前容量与最大容量之间的比率，

获得（240）传感器数据，所述传感器数据指示在多个随后时间点处获得的第一多个电池电压值，

确定（250）所述第一多个电池电压值随时间的第一电压趋势，

基于关系来估计（260）所述电池（132）的电池放电电流，其中所述关系取决于所述随时间的第一电压趋势和所述荷电状态值。

2.根据权利要求1所述的方法（200），进一步包括：

获得（210）电压传感器数据，所述电压传感器数据指示在多个随后时间点处获得的第二多个电池电压值，

确定（220）所述第二多个电池电压值随时间的第二电压趋势，并且如果确定所述第二电压趋势为负，则实行权利要求1的步骤。

3.根据前述权利要求中任一项所述的方法（200），进一步包括：

基于所述荷电状态值和所述电池放电电流来计算（270）当前荷电状态值。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法（200），其中确定所述第一电压趋势和/或确定所述第二电压趋势是通过将函数曲线拟合到所述第一和/或第二多个电池电压值来实行的。

5.根据权利要求4所述的方法（200），其中所述函数是由斜率和截距值定义的线。

6.一种被配置用于估计电池（132）的电池放电电流的电池监测单元（100），其包括：

收发器（104），其被配置成发送或接收数据，

处理器（112），以及

存储器（115），所述存储器包含可由所述处理器执行的指令，其中所述电池监测单元（100）可操作和/或被配置成实行权利要求1-5中任一项所述的方法。

7.一种计算机程序，其包括计算机可执行指令，以用于当在被包括在电池监测单元（100）中的处理电路上执行所述计算机可执行指令时，使所述电池监测单元实行权利要求1-5中任一项所述的方法。

8.一种包括计算机可读存储介质的计算机程序产品，所述计算机可读存储介质具有体现在其中的根据权利要求7所述的计算机程序。

9.一种包含权利要求7所述的计算机程序的载体，其中所述载体是电子信号、光学信号、无线电信号或计算机可读存储介质中的一个。